郭盈功 牛兆鵬

【摘要】隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，利用高性能模塊以及各類(lèi)軟件處理技術(shù)，模擬出機(jī)械工程領(lǐng)域的各種儀器設(shè)備技術(shù)，進(jìn)行各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用的虛擬儀器技術(shù)，已經(jīng)在我國(guó)機(jī)械制造業(yè)中得到了普及。本文對(duì)虛擬儀器的構(gòu)成及特點(diǎn)，以及應(yīng)用進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】虛擬儀器 軟硬件 測(cè)試系統(tǒng) 機(jī)械工程

O引言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，利用高性能模塊以及各類(lèi)軟件處理技術(shù)，模擬出機(jī)械工程領(lǐng)域的各種儀器設(shè)備技術(shù)，進(jìn)行各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用，已經(jīng)得到了普及。這項(xiàng)技術(shù)的使用，極大地提升了機(jī)械設(shè)備各項(xiàng)功能的測(cè)試效果，所得到的大數(shù)據(jù)，可以為后期儀器功能的改進(jìn)提供必要的數(shù)據(jù)支持。

1 虛擬儀器的構(gòu)成及特點(diǎn)

1.1 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成

虛擬儀器由硬件設(shè)備與接口、設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設(shè)備與接口可以是各種以PC為基礎(chǔ)的內(nèi)置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口、VXI總線儀器接口等設(shè)備，也可以是其他各種可程控的外置測(cè)試設(shè)備。設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序，虛擬儀器通過(guò)底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件與真實(shí)的儀器系統(tǒng)進(jìn)行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示與真實(shí)儀器面板操作元素相對(duì)應(yīng)的各種部件。用戶(hù)用鼠標(biāo)操作虛擬儀器的面板就如同操作真實(shí)儀器一樣真實(shí)、方便。

1.1.1 虛擬儀器系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)和測(cè)控功能硬件。計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)可以是各種類(lèi)型的計(jì)算機(jī)，如臺(tái)式計(jì)算機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、工作站及嵌入式計(jì)算機(jī)等。它管理著虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。因此，計(jì)算機(jī)技術(shù)在顯示、存儲(chǔ)能力、處理器性能、網(wǎng)絡(luò)和總線標(biāo)準(zhǔn)等方面的發(fā)展，導(dǎo)致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展。

按照測(cè)控功能硬件的不同，VI可分為DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口總線5種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，它們主要完成對(duì)被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大和模/數(shù)轉(zhuǎn)換。

1.1.2 虛擬儀器系統(tǒng)的軟件構(gòu)成

測(cè)試軟件是虛擬儀器的主心骨。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)直接參與測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生和測(cè)量特性的分析，使儀器中的一些硬件甚至整個(gè)儀器從系統(tǒng)中消失，而由計(jì)算機(jī)的軟硬件資源來(lái)完成它們的功能。虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的軟件主要分為以下4個(gè)部分。

（1）儀器面板控制軟件。儀器面板控制軟件即測(cè)試管理層，是用戶(hù)與儀器之間交流信息的紐帶。利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形化編程環(huán)境，使用可視化的技術(shù)，從控制模塊上選擇所需的對(duì)象，放在虛擬儀器的前面板上。

（2）數(shù)據(jù)分析處理軟件。利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件功能強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)可以極大提高虛擬儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理能力，節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間。

（3）儀器驅(qū)動(dòng)軟件。虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序是處理與特定儀器進(jìn)行控制通信的一種軟件。儀器驅(qū)動(dòng)器與通信接口及使用開(kāi)發(fā)環(huán)境相聯(lián)系，它提供一種高級(jí)、抽象的儀器映像，以及特定的使用開(kāi)發(fā)環(huán)境信息。儀器驅(qū)動(dòng)器是虛擬儀器的核心，是用戶(hù)完成對(duì)儀器硬件控制的紐帶和橋梁。虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序的核心是驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)/VI集，函數(shù)/VI是指組成驅(qū)動(dòng)的模塊化子程序。驅(qū)動(dòng)程序一般分為兩層，底層是儀器的基本操作，如初始化儀器配置儀器輸入?yún)?shù)、收發(fā)數(shù)據(jù)及查看儀器狀態(tài)等。高層是應(yīng)用函數(shù)/VI層，它根據(jù)具體測(cè)量要求調(diào)用底層的函數(shù)/VI。

（4）通用I/O接口軟件。在虛擬儀器系統(tǒng)中，I/O接口軟件作為虛擬儀器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)中承上啟下的一層，其模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化越來(lái)越重要。VXI總線即插即用聯(lián)盟，為其制定了標(biāo)準(zhǔn)，提出了自底向上的I/O接口軟件模型即VISA。作為通用I/O標(biāo)準(zhǔn)，VISA具有與儀器硬件接口無(wú)關(guān)性的特點(diǎn)，即這種軟件結(jié)構(gòu)是面向器件功能而不是面向接口總線的。應(yīng)用工程師為帶GPIB接口儀器所寫(xiě)的軟件，也可以用于VXI系統(tǒng)或具有RS232接口的設(shè)備，這樣不但大大縮短了應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)周期，而且徹底改變了測(cè)試軟件開(kāi)發(fā)的方式和手段。

1.2 虛擬儀器的特點(diǎn)

在機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)中應(yīng)用虛擬儀器，實(shí)現(xiàn)了功能的自定義，用戶(hù)可利用不同的編程語(yǔ)言在不違反使用規(guī)則的前提下對(duì)各功能模塊進(jìn)行變換、自由組合，以實(shí)現(xiàn)不同用戶(hù)的測(cè)試目標(biāo)，滿(mǎn)足不同用戶(hù)的個(gè)性化需求。另外，運(yùn)用虛擬儀器的機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)了各功能的軟件化，在很大程度上減少了研發(fā)及運(yùn)用硬件的成本，同時(shí)還減少了資源及能源的消耗，在保護(hù)了環(huán)境的同時(shí)還促進(jìn)了企業(yè)的發(fā)展。在未來(lái)的機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)當(dāng)中，虛擬儀器的使用將成為主流，并有著廣闊的發(fā)展及應(yīng)用前景。

2 虛擬儀器在機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)中的應(yīng)用

虛擬儀器的發(fā)展非常迅速，已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。而在機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)中應(yīng)用虛擬儀器，通常來(lái)說(shuō)是根據(jù)用戶(hù)的具體測(cè)試需求來(lái)對(duì)系統(tǒng)的軟件及硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)不同的檢測(cè)需求，同時(shí)針對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 對(duì)機(jī)械產(chǎn)品參數(shù)進(jìn)行測(cè)量

可對(duì)機(jī)械的振動(dòng)幅度、油壓力的最大值、平均值及變化規(guī)律、振動(dòng)頻率、發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與振動(dòng)力之間的關(guān)系進(jìn)行測(cè)試，得到相關(guān)的參數(shù)。

2.2 機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)的軟件

軟件部分是虛擬儀器最關(guān)鍵的組成部分，主要由系統(tǒng)程序以及應(yīng)用程序構(gòu)成。軟件功能的編程主要是利用LabVIEW來(lái)實(shí)現(xiàn)，用戶(hù)接口則利用圖形的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，這給用戶(hù)帶來(lái)了便利，用戶(hù)可將系統(tǒng)當(dāng)作按鍵儀器，根據(jù)自己的測(cè)試需求來(lái)選擇不同的測(cè)試功能，同時(shí)還可對(duì)數(shù)據(jù)的處理及分析方法進(jìn)行選擇，以上這些都體現(xiàn)了測(cè)試系統(tǒng)的方便、快捷。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著信息技術(shù)的突飛猛進(jìn)，機(jī)械工程利用軟件模塊將計(jì)算機(jī)所擁有的資源以及系統(tǒng)硬件存在的測(cè)試功能，通過(guò)對(duì)軟硬件模塊的變換進(jìn)行不同設(shè)置，從而讓機(jī)械工程所需要的不同測(cè)試任務(wù)得以完成。這不但使測(cè)試功能多樣化，而且很大程度上降低了測(cè)試成本，同時(shí)還為產(chǎn)品研發(fā)提供了技術(shù)保障，使研發(fā)效率得以提高。當(dāng)前，我國(guó)許多大型機(jī)械設(shè)備制造行業(yè)已經(jīng)使用了該項(xiàng)技術(shù)，隨著我國(guó)工業(yè)4.0時(shí)代的來(lái)臨，實(shí)現(xiàn)彎道超車(chē)，從制造業(yè)大國(guó)向強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變，需要更多的信息技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械制造業(yè)之中。

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